JPH0820077B2 - ガスタービンパワープラントおよびそのパイロット部内に拡散炎を発生させる方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は、一般にガスタービンに関
し、特に燃焼器のパイロット部を、該パイロット部の天
然ガスを燃焼することなしに空気と混合する予混合モー
ドにおける運転に引き続いて点火する装置および方法に
関する。

【０００２】

【発明の背景】ガスタービンパワープラントの多くは、
幾つかの燃焼器を備えており、各燃焼器が、パイロット
部やパイロット部の下流に隣接する主燃焼部等の複数の
燃焼区域を有している。例えば、ウエスチングハウス
エレクトリック コーポレーションによって製造される
Ｗ５０１Ｄ５型のガスタービンは、ガスタービンの長手
方向の軸線の回りに軸線方向に設置される１４個の燃焼
器を有し、各燃焼器がパイロット部と主燃焼部とを備え
ている。

【０００３】このＷ５０１Ｄ５ガスタービンにおいて
は、タービン始動段階において、各燃焼器のパイロット
部および主燃焼部の両方に天然ガスを別々に噴射する。
１４個の燃焼器のうちの２つのパイロット部に、電気点
火器が設けられている。これらの電気点火器が点火され
ると、パイロット部内に噴射されたガスが周囲の空気と
混合して燃焼するにしたがって、パイロット部内に炎が
生じる。この炎は、燃料の空気との混合が燃料拡散過程
で生じることから、拡散炎と呼ばれる。点火されたパイ
ロット部からの高熱の燃焼ガスは、主燃焼部に流入し、
その主燃焼部内に噴射された天然ガス燃料の燃焼を引き
起こす。

【０００４】残りの点火されない燃焼器のパイロット部
に拡散炎を生成させるために、隣接する２つの燃焼器の
パイロット部を接続する交差内筒が設けられている。２
つの電気的に点火された燃焼器のパイロット部において
起きた燃焼過程の結果として、これらのパイロット部の
圧力は、隣接する点火されていない燃焼器のパイロット
部の圧力値より高くなる。この圧力差により、高熱燃焼
ガスが交差内筒を介して隣接する燃焼器のパイロット部
に流入される。これらの高温ガスが隣接する燃焼器のパ
イロット部に流入するにしたがって、天然ガスは点火
し、パイロット部内に拡散炎を生じる。したがって、こ
のパイロット部からの高温ガスが、隣接する主燃焼部に
流れ込み、その主燃焼部内に噴射された天然ガス燃料を
点火する。この過程が、総ての燃焼器が点火されるまで
続けられる。この時点においては、パイロット部は拡散
燃焼モードで運転し、主燃焼部は希薄混合気燃焼モード
で運転していると言われる。

【０００５】タービン始動のしばらくした後、総ての燃
焼器が点火されると、タービンは、基底負荷運転状態に
達する。この時、パイロット部が拡散燃焼モードの状態
で各燃焼器の運転を継続することは、この種の運転中に
おいて好ましくないレベルの酸化窒素排出を生じること
が知られており、好ましくない。パイロット部が拡散燃
焼モードで動作している場合、噴射された天然ガス燃料
が比較的高温で燃焼するので、高濃度のＮＯｘ排出が生
じる。

【０００６】また、タービンの基底負荷状態での運転中
に、パイロット部を予混合モードで運転する場合に、Ｎ
Ｏｘ排出濃度が低下することが知られている。予混合モ
ード運転中においては、天然ガス燃料はパイロット部内
に噴射され、そのパイロット部内の吸気された空気と燃
焼することなしに密接に混合する。パイロット部におけ
る混合の後、この天然ガス混合気は、主燃焼部に流入
し、高温ガスと接触し、燃焼する。この天然ガス混合気
は比較的低温で燃焼するので、ＮＯｘ排出は、パイロッ
ト部の拡散モードの運転に比較すると減少する。ＮＯｘ
排出濃度のこの低下は、４０％に達し得るものである。

【０００７】したがって、パイロット部を予混合モード
にしてタービンを基底負荷状態で運転するためには、拡
散モード運転から予混合モード運転に移行するために、
各燃焼器のパイロット部の拡散炎を消すことが必要であ
る。拡散炎を消すためには、パイロット部への天然ガス
燃料の流入を、拡散炎のフレームアウトが起きるまで低
下させる。このとき、天然ガス燃料はこれとは無関係に
主燃焼部内に噴射されることから、主燃焼部は燃料を燃
焼し続ける。拡散炎のフレームアウトに続いて、天然ガ
ス燃料のパイロット部への流入は、運転基準に戻され、
天然ガス燃料は、吸気と混合し、低温で主燃焼部に流入
する。この予混合モード運転中において、パイロット部
における天然ガス混合気の速度は、主燃焼部における天
然ガス燃料の燃焼よって生じる炎の火炎速度より大き
い。したがって、炎のパイロット部内への逆火は防が
れ、予混合モード運転中において、パイロット部には炎
は存在しない。

【０００８】基底負荷状態以外でタービンを運転するこ
とが必要な期間中においては、主燃焼部内に噴射される
天然ガス燃料の流量をその主燃焼部におけるフレームア
ウトの点にまで低下させることによって、タービンは無
負荷になる。しかしながら、無負荷する前に、パイロッ
ト部に拡散炎を再生することが必要である。このこと
は、安定した運転を維持して、タービンを基底負荷運転
に復帰させる場合に、各燃焼器に未だ炎が存在するよう
にするために必要である。

【０００９】前述したように、パイロット部における天
然ガス混合気の速度は火炎速度より大きいことから、主
燃焼部におけるフレームアウトに先立って、主燃焼部の
炎を用いてパイロット部に拡散炎を再生することはでき
ない。また、吸気の温度は、約３７１℃（７００°Ｆ）
であり、約５３８℃（１０００°Ｆ）以上である天然ガ
ス燃料の自動点火温度より低いので、予混合モード運転
中でのパイロット部の天然ガス燃料の自動点火は、拡散
炎を再生することができる方法とはなり得ない。

【００１０】パイロット部における拡散炎を再生するた
めに、タービンの始動中になされたものと同じく、交差
内筒とともに２つの電気点火器をうまく利用できる見込
みは低い。各燃焼器における圧力がほぼ等しい予混合モ
ード運転中においては、交差内筒を介しての圧力差によ
るクロス点火の可能性は、低く、したがって確かなもの
ではない。

【００１１】別の方法では、各燃焼器のパイロット部に
固定式の電気点火器を配置することによって拡散炎を再
生することができる。しかしながら、これには、点火器
がスパークしないかもしれないという点において信頼性
に問題がある。また、多数の燃焼器を利用するガスター
ビンパワープラントにとっては、総運転コスト並びに点
火の失敗の可能性が増大する。

【００１２】したがって、天然ガス燃料が空気と燃焼す
ることなしに混合する予混合モードにおけるパイロット
部の運転に引き続いて、ガスタービンパワープラントの
燃焼器のパイロット部における拡散炎を再生するための
装置が求められている。この発明は、この要求を満たす
装置および方法を提供するものである。

【００１３】

【発明の概要】この発明によりガスタービンを運転する
方法は、パイロット部において拡散炎のフレームアウト
がおきるまで各燃焼器のパイロット部への天然ガス燃料
の流入量を減少する工程と、パイロット部内に天然ガス
燃料を再噴射する工程と、吸気穴を介してパイロット部
の再循環域に吸気を供給する工程と、天然ガス燃料を燃
焼器の主燃焼部への流入に先立って再循環域において該
吸気と混合する工程と、液体燃料が再循環域に流入する
ように液体燃料をパイロット部内に噴射する工程からな
っている。この液体燃料は該吸気の温度より低い自動点
火温度を有するので、液体燃料が自動点火して、天然ガ
ス燃料を火炎化して、パイロット部に拡散炎を再生す
る。

【００１４】

【好適な実施例の詳細な説明】この発明により組み立て
られ、配設されたガスタービン１００を図１に示す。こ
の実施例では、ガスタービン１００は、ウエスチングハ
ウス エレクトリックコーポレーションによって製造さ
れた、３６００ｒｐｍの定格速度を有する単サイクル型
のものであることが好ましい。図面から明らかなよう
に、タービン１００は、二軸受一軸および軸流排気を備
えている。

【００１５】図１および図２において、圧縮機１０２か
らの加圧空気は、燃焼シリンダ１０４内に導かれる。こ
の燃焼シリンダ１０４は、ガスタービン１００の長手方
向の軸線の周りのケーシング１１０の部分１０８内に軸
線方向に設置される１４個の環状燃焼器１０６を備えて
いる。図３に示すように、燃焼器１０６は、パイロット
部１１２と主燃焼部１１４とから構成されており、主燃
焼部１１４はパイロット部１１２の下流側に隣接してい
る。パイロット部１１２の上流端には、パイロット部１
１２に燃料を供給する二重燃料ノズル１１６が設けられ
ている。図４に示すように、二重燃料ノズル１１６は、
パイロット部１１２内に天然ガス燃料を噴射する第１の
ノズル手段であるノズル１１８と、パイロット部１１２
内に液体燃料を噴射する第２のノズル手段であるノズル
チップ１２０とから構成されている。

【００１６】図５に示すように、この発明の好適な実施
例においては、ノズルチップ１２０は、燃焼器１０６の
長手方向の軸線に対して平行に、中心線に沿って液体燃
料を噴射する。ノズルチップ１２０は、再循環域１２４
内に液体燃料を噴射する。ノズル１１８は、燃焼器１０
６の長手方向の軸線に対して３０度から６０度の範囲で
鋭角に天然ガス燃料を噴射する。

【００１７】再び図３において、天然ガス燃料は、ノズ
ル１２１によって主燃焼部１１４内に噴射される。吸気
は、入口手段である固定形状の吸気穴１２５を介してパ
イロット部１１２の再循環域１２４に入る。なお、ノズ
ル１１８、ノズルチップ１２０および吸気穴１２５によ
り拡散炎発生装置を構成する。

【００１８】タービンの始動状態において、ノズル１１
８はパイロット部１１２内に天然ガス燃料を噴射し、ノ
ズル１２１は主燃焼部１１４内に天然ガス燃料を噴射す
る。１４個の燃焼器１０６のうちの２つの燃焼器１０６
のパイロット部１１２内に位置する点火器１２８および
１２９が点火され、その２つのパイロット部内の天然ガ
ス燃料の燃焼および二重燃料ノズル１１６での拡散炎の
発生を引き起こす。パイロット部１１２の高温ガスは、
燃焼器１０６の主燃焼部１１４に流入し、主燃焼部１１
４内にノズル１２１によって噴射された天然ガス燃料を
火炎化して燃焼させる。この時点では、点火器１２８お
よび１２９を有する２つの燃焼器のみが点火される。

【００１９】即ち、図２および図３において、タービン
始動中において点火されていない残りの燃焼器１０６の
点火のために、各燃焼器１０６は、交差円筒１２６によ
って接続されている。この交差円筒１２６はそれぞれの
燃焼器のパイロット部１１２の入口点１２７からパイロ
ット部１１２内に高温ガスを流入するための通路であ
る。電気的に点火された２つの燃焼器内の圧力が増大す
るので、そのパイロット部１１２からの高温ガスが交差
内筒１２６を介して圧送される。この高温ガスは、入口
点１２７から隣接する点火されていない燃焼器に入り、
各燃焼器１０６のパイロット部１１２に拡散炎を生じさ
せる。したがって、パイロット部１１２からの高温ガス
が主燃焼部１１４内に流入し、その主燃焼部１１４の天
然ガス燃料の燃焼を引き起こす。この時点では、パイロ
ット部１１２は拡散モードで運転し、主燃焼部１１４は
希薄混合気燃焼モードで運転しているといわれる。

【００２０】ガスタービン１００が基底負荷運転状態に
達すると、ＮＯｘ排出の濃度を減少させるために、パイ
ロット部１１２の運転は、拡散モードの運転から予混合
モードの運転に移行する。予混合モードの運転に移行さ
せるために、ノズル１１８を通じての天然ガス燃料流
は、パイロット部１１２におけるフレームアウトが起き
かつノズル１１８での拡散炎が消滅するまで減少され
る。このとき、ノズル１２１によって主燃焼部１１４内
に噴射される天然ガス燃料は、燃焼器１０６の後端にお
いて適正な燃焼を確保するために少なくとも一定に保持
されるべきである。また、主燃焼部１１４への天然ガス
燃料の流入を、パイロット部１１２において減少された
天然ガス燃料の量だけ増加させることも可能である。

【００２１】パイロット部１１２において拡散炎が消滅
した後、ノズル１１８を介してのパイロット部１１２へ
の天然ガス燃料の流入を増加させて、予混合モード運転
を開始する。この天然ガス燃料は、拡散炎がないことか
ら、再循環域１２４において燃焼することなしに吸気と
混合する。この天然ガス混合気は、パイロット部１１２
を出ると、主燃焼部１１４における天然ガス燃料の燃焼
によって生成された高温ガスと接触する。このとき、天
然ガス混合気は、希薄な状態で燃焼し、低濃度のＮＯｘ
を生じる。

【００２２】一般に、エタンおよびプロパンとともに主
成分として９５％のメタンを含有する天然ガス燃料は、
再循環域１２４に流入する吸気の温度約３７１℃（７０
０°Ｆ）よりも高い約５３８℃（１０００°Ｆ）の自動
点火温度を有している。したがって、予混合モード期間
の運転においては、パイロット部１１２内に噴射される
天然ガス燃料がそのセクションにおいて自動点火するこ
とはない。

【００２３】タービンを基底負荷状態以外で運転するこ
とを欲するときには、ノズル１２１を通じて主燃焼部１
１４内への天然ガス燃料の流量は、主燃焼部１１４にお
ける炎のフレームアウトの点まで減少される。主燃焼部
１１４への燃料の流量を減少するのに先立って、燃焼器
１０６内に炎を維持するために、パイロット部１１２に
拡散炎を再生する必要がある。したがって、パイロット
部１１２の再循環域１２４にノズルチップ１２０を通じ
て液体燃料を噴射する。＃２留出液や一般に知られる特
殊燃料等の多様な液体燃料を用いることでき、好ましい
液体燃料としては＃２留出液があげられる。＃２留出液
の自動点火温度は約２３２℃（４５０°Ｆ）であるの
で、液体燃料が再循環域１２４内に噴射されて約３７１
℃（７００°Ｆ）の温度を有する吸気と接触すると、こ
の液体燃料が点火し、パイロット部１１２で天然ガス燃
料の燃焼および拡散炎の生成を引き起こす。したがっ
て、その後、この機関を、この技術分野で知られた所定
の方法で無負荷にすることができる。

【００２４】この発明によるガスタービン燃焼器のパイ
ロット部における拡散炎の再生をする方法が図６のフロ
ーチャートで示されている。タービン始動の後に続い
て、拡散モードにおけるパイロット部の運転が止まった
後に、天然ガス燃料をパイロット部内に噴射し、吸気を
パイロット部に供給する（ステップ２００）。パイロッ
ト部を天然ガス燃料を吸気と混合する予混合モードで運
転し、主燃焼部を希薄混合気燃焼モードで運転し、ガス
タービンは基底負荷状態で運転される（ステップ２０
２）。ガスタービンの基底負荷状態における運転の終了
の直前に、パイロット部の再循環域内に液体燃料は噴射
され、液体燃料は再循環域内で吸気と接触するやいなや
自動点火し、拡散炎が生成される（ステップ２０４）。
拡散炎が生成された後に、タービンが低負荷状態で運転
するように、主燃焼部は無負荷とされる（ステップ２０
６）。

【００２５】この発明の一実施例を説明してきたが、そ
の変更例は当業者によって容易に想起されるものと認識
する。したがって、そのような変更例は特許請求の範囲
に包含されていると考える。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明により運転されるように配設されたパ
ワープラントに用いられる工業用ガスタービンの側断面
図である。

【図２】図１のガスタービンに用いられる燃焼器の配列
を示す。

【図３】この発明により運転するように配設された燃焼
器の断面図である。

【図４】図３に示した燃焼器の上流端のノズルの構成を
示す。

【図５】図４に示したノズルの構成の運転を概略的に示
す。

【図６】この発明による方法のフローチャートである。

【符号の説明】

１００ ガスタービン １０６ 燃焼器 １１２ パイロット部 １１４ 主燃焼部 １１８ ノズル（第１のノズル手段） １２０ ノズルチップ（第２のノズル手段） １２４ 再循環域 １２５ 空気穴（入口手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 再循環域を有するパイロット部と、この
   パイロット部の下流側に隣接した主燃焼部とを備えた、
   少なくとも１つの燃焼器と、 さらに前記パイロット部内での拡散炎を発生させるため
   の拡散炎発生装置とを有するガスタービンパワープラン
   トであって、 前記拡散炎発生装置は、 前記パイロット部の前記再循環域内に吸気を供給する入
   口手段と、 前記パイロット部内に天然ガス燃料を噴射する第１のノ
   ズル手段と、 前記パイロット部の前記再循環域内に、前記吸気の温度
   より低い自動点火温度を有する液体燃料を噴射する第２
   のノズル手段と、 を備え、前記第２のノズル手段が前記パイロット部の前
   記再循環域内に液体燃料を噴射したときに、前記液体燃
   料は自動点火し、前記パイロット部での前記天然ガス燃
   料の燃焼と前記パイロット部での前記拡散炎の生成とを
   起こさせる、 ガスタービンパワープラント。
2. 【請求項２】 再循環域を有し、この再循環域内に吸気
   を供給するための吸気穴を含むパイロット部と、このパ
   イロット部の下流側に隣接した主燃焼部とを備えた、少
   なくとも１つの燃焼器を有するガスタービンパワープラ
   ントにおいて、 前記パイロット部内に天然ガス燃料を噴射する工程と、 前記吸気穴を通じて前記再循環域に吸気を供給する工程
   と、 前記パイロット部内で前記天然ガス燃料を燃焼すること
   なしに前記吸気と混合する予混合モードで前記パイロッ
   ト部を運転する工程と、 前記予混合モード状態での前記パイロット部の運転の終
   了直前に、前記パイロット部の前記再循環域内に前記吸
   気の温度より低い自動点火温度を有する液体燃料を噴射
   する工程とからなる、前記パイロット部内に拡散炎を発
   生させるための方法であって、 前記液体燃料は前記再循環域において自動点火し、前記
   天然ガス燃料が火炎化して前記パイロット部に前記拡散
   炎を発生させる、 ガスタービンパワープラントのパイロット部内に拡散炎
   を発生させる方法。